■スターリングの公式の図形的証明?(その65)

 空間充填2(2^n−1)面体の場合について,再度計算してみる.

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  Vn=(n+1)^(-1/2}・2^n/2/n^n

〜 π^(n/2)/Γ(n/2+1)・r^n

  r^n〜VnΓ(n/2+1)/π^(n/2)

が成立しなければならない.

 ここでは偶数次元の場合(n=2k)だけを扱うことにするが,

  r^2k〜V2kk!/π^k

=(2k+1)^(-1/2}・2^k/(2k)^2k・k!/π^k

=(2k+1)^(-1/2}・2^k/(2k)^2k・k!/π^k

=(2k+1)^(-1/2}・(2πk^2)^-k・k!

=(n+1)^(-1/2}・(πn^2/2)^-n/2・(n/2)!

 スターリングの近似式より,n→∞になるにつれて

  (n/2)!〜√(πn)(n/2)^n/2exp(−n/2)

であるから

  r^n〜(n+1)^(-1/2}・(πn)^-n/2√(πn)exp(−n/2)

〜√(πn)/(n+1)(eπn)^-n/2

〜√π(eπn)^-n/2

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

 一方,

  hj={(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}^1/2=r

であるから, 

  r^n={(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}^n/2

  (n−j)/n=1−j/n

  {(n−j)/n}^n〜exp(−j)

  {(n−j)/n}^n/2〜exp(−j/2)

  (j+1)/(n+1)〜j/n

より

  r^n={(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}^n/2

〜(j/n)^n/2exp(−j/2)(2n)^-n/2

 両者を比較すると,

  (j/n)^n/2exp(−j/2)〜√π(eπ/2)^-n/2

対数をとると

  n/2log(j/n)−j/2=−n/2log(eπ/2)+1/2logπ

  log(j/n)−j/n=−log(eπ/2)+1/nlogπ

となって,jはきれいな形では求められないようだ.

 そこで,2次方程式を解く方法に切り換える.

  {(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}〜(π)^1/n/eπn

  {(j+1)(n−j)/2n^2(n+1)}〜1/eπn

  {(j+1)(n−j)/2n(n+1)}〜1/eπ

  {(j+1)(n−j)}〜2/eπ・n(n+1)

  j^2+(1−n)j−n+2/eπ・n(n+1)=0

  j=1/2{n−1±√(n^2−2n+1+4n−8/eπ・n(n+1))

  j/n=1/2{1−1/n±√(1−2/n+1/n^2+4/n−8/eπ)

  j/n=1/2{1+√(1−8/eπ)}→1/2

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